Bài 17. Dòng điện trong chất bán dẫn

Vùng hoạt động của BJT:•Vùng tác động: Vùng khuếch đại hay tuyến tính Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực nghịch... Phương pháp chung để phân giải mạch phân cực gồm ba bước

Chương 5:

TRANSISTOR LƯỠNG CỰC (BJT)

ThS Nguyễn Bá Vương

1 Cấu tạo

• Miền bán dẫn thứ nhất của Transistor là miền Emitter (miền phát) với đặc điểm là có nồng độ tạp chất lớn nhất, điện cực nối với miền này gọi là cực Emitter (cực phát)

• Miền thứ hai là miền Base (miền gốc) với nồng độ tạp chất nhỏ và độ dày của nó nhỏ

cỡ m, điện cực nới với miền này gọi là cực Base (cực gốc).

• Miền còn lại là miền Collector (miền thu) với nồng độ tạp chất trung bình và điện cực tương ứng là Collector (cực thu)

1 Cấu tạo

• Tiếp giáp p-n giữa miền Emitter và Base gọi là tiếp giáp Emitter (JE).

• Tiếp giáp p-n giữa miền Base và miền Collector

là tiếp giáp Collector (JC).

• Về kí hiệu Transistor cần chú ý là mũi tên đặt ở giữa cực Emitter và Base có chiều từ bán dẫn p sang bán dẫn n

1 Cấu tạo

• Về mặt cấu trúc, có thể coi Transistor như 2

diode mắc đối nhau

1 Cấu tạo

• Cấu tạo mạch thực tế của một Transistor n-p-n

E

2.Nguyên lý hoạt động

sơ đồ phân cực trong BJT

sơ đồ phân cực trong BJT

I I





C B

I I

3 Các dạng mắc BJT

3.1 Mạch chung Emitter (EC)

C B

E

UIn

UOut

EC

Họ đường đặc tuyến vào

I B = f(U BE ) khi U CE = const

Đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của sơ đồ EC

Họ đường đặc tuyến ra: IC = f(U CE ) khi I B =const

Họ đường đặc tuyến truyền đạt: IC = f(I BE ) khi U CE = const

Một số mạch EC

3.2 Mạch chung Base (BC)

Họ đường đặc tuyến vào

I E =f(U EB ) khi điện áp ra U CB =const

Họ đường đặc tuyến ra và truyền đạt

Đặc tuyến ra:I C = f(U CB ) khi giữ dòng vào I E =const Đặc tuyến truyền đạt: I C =f(I E ) khi khi UCB = const

0

2 4 6 8

2 4

6 8

3.3 Mạch chung Collector (CC)

Họ đường đặc tuyến vào

Đặc tuyến ra của sơ đồ CC

0

2 4 6 8

Đường thẳng lấy điện (Load line)

• Phương trình đường thẳng lấy điện : VCC=ICRC+VCE

viết lại: IC = ( VCC – VCE)/ RC = -VCE / RC + VCC /RC

Đường lấy điện đựợc vẽ trên đặc tuyến ra qua 2 điểm xác định sau:

• Điểm ngưng, IC = 0  VCE= VCC (Điểm M)

• Điểm bão hòa: VCE = 0  IC = VCC/ RC (Điểm N)

nối 2 điểm M và N lại ta có được đường lấy điện

• Giao điểm đường lấy điện và đường phân cực IB chọn trước cho ta trị số điểm tĩnh Q.

IC(mA)

VCE(V)

IB(μA) Q

N

M ngưng bão hòa

VCEQ

ICQ

Đường thẳng lấy điện cho EC

Vai trò của đường thẳng lấy điện

• Phân giải mạch Transistor.

• Xác định điểm tĩnh điều hành Q.

• Cho biết trạng thái hoạt động của

transistor ( tác động, bão hoà, ngưng).

• Mạch khuếch đại có tuyến tính hay không.

• Thiết kế mạch khuếch theo ý định ( chọn trước điểm tĩnh Q , tính các trị số linh kiện)

Phân giải bằng đồ thị

I B (μA)

VBE (V) 0

20

0

2 4 6 8

VBEQ

t

t

IBQQ

4 Phân cực của BJT

Vùng hoạt động của BJT:

•Vùng tác động: (Vùng khuếch đại hay tuyến tính)

Mối ghép B-E phân cực thuận Mối ghép B-C phân cực nghịch

Phương pháp chung để phân giải mạch

phân cực gồm ba bước:

• Bước 1: Dùng mạch điện ngõ vào để xác định dòng điện ngõ vào (IB hoặc IE)

• Bước 2: Suy ra dòng điện ngõ ra từ các liên hệ

IC=βIB hay IC=αIE

• Bước 3: Dùng mạch điện ngõ ra để tìm các thông số còn lại (điện thế tại các chân, giữa các chân của BJT )

4.1 Phân cực cố định của BJT (Fixed –

Bias)

VCE+

-VBE+

RC

RB

Vcc

Phân cực cố định của BJT (Fixed – Bias)

Sự bảo hòa của BJT

• Sự liên hệ giữa IC và IB sẽ quyết định BJT có hoạt động trong vùng tuyến tính hay không Ðể BJT hoạt động trong vùng tuyến tính thì nối thu - nền (CE) phải phân cực nghịch

C

V I

C

V I

R





Nếu thì BJT sẽ đi dần vào hoạt động trong vùng bão hòa Từ điều kiện này và liên hệ IC=βIB ta tìm được trị số tối đa của IB, từ đó chọn RB sao cho thích hợp

CC C

C

V I

R



CC Csat

C

V I

R tức VCE = 0V (thực ra khoảng 0.2V)

4.2 Phân cực ổn định cực phát

VCE+

cực emitter được mắc thêm

một điện trở RE xuống mass

Cách tính phân cực cũng có

các bước giống như ở mạch

phân cực cố định

V V I

Sự bảo hòa của BJT

• Tương tự như trong mạch phân cực cố định, bằng cách cho nối tắt giữa cực thu

và cực phát ta tìm được dòng điện cực thu

CC Csat

V I

4.3 Phân cực bằng cầu chia điện thế

RE

RBB

VBB

IB

1 2

1 2

BB

R R R

Sự bảo hòa của BJT

Tương tự như phần trước:

CC Csat

C E

V I





4.4 Phân cực với hồi tiếp điện thế

VCE+

5 Thiết kế mạch phân cực

Khi thiết kế mạch phân cực, người ta thường dùng các định luật căn bản về mạch điện như định luật Ohm, định luật Kirchoff, định lý Thevenin , để từ các thông số đã biết tìm ra các thông số chưa biết của mạch điện

10 20

I C (mA)

U CE (V)

I B =40μA

Từ đường thẳng lấy điện: VCE =VCC-RCIC

Tại trục trục tọa độ UCE , khi IB=0 ta suy ra IC=0 và VCE =20V thay vào phương trình đường thẳng lấy điện ta có VCC=20V

Ngoài ra: Transistor làm từ vật liệu thuần bán dẫn Si do đó

VBE=0.7V và

Để có các điện trở tiêu chuẩn ta chọn: RB=470 K, RC=2.4 K.

Điện trở RC và RE không thể tính trực tiếp từ các thông

số đã biết Việc đưa điện trở RE vào mạch là để ổn định điều kiện phân cực RE không thể có trị số quá lớn vì như thế làm giảm VCE (sẽ làm giảm độ khuếch đại) Nhưng nếu RE quá nhỏ thì độ ổn định kém Thực

nghiệm người ta thường chọn V E khoảng 1/10V CC

 

2 13.333 150

Ta có thể chọn: R1=39kΩ hoặc 47kΩΩ hoặc 47kΩ hoặc 47kΩΩ

6 BJT hoạt động như một

chuyển mạch

Thí dụ: Xác định RC và RB của mạch điện nếu ICsat=10mA

Q1

RB

RCVcc=+10V

Thí dụ ở 1 BJT bình thường:

ts=120ns ; tr=13ns

tf=132ns ; td=25ns Vậy: ton=38ns ; toff=132ns

Một số ứng dụng của BJT hoạt động như một chuyển mạch

Using a transistor as a switch

NPN

PNP

Using a transistor switch with sensors

Đóng ngắt đèn

7 Tính khuếch đại của BJT

• Như vậy tác dụng của các tụ liên lạc C1, C2 làm cho

thành phần xoay chiều của tín hiệu đi qua và ngăn thành phần phân cực một chiều

là độ khuếch đại hay độ lợi điện

thế của mạch

( ) ( )

• Chìa khóa để phân giải và xác định các thông số của

mạch là mạch tương đương xoay chiều

i

v A

v



o V

i

i A

i



i i

i

v Z

i



o o

o

v Z

-

-+

Dạng mạch tương đương

kiểu mẫu re

Đơn giản Đầy đủ

Mạch tương đương

thông số h

Đơn giản Đầy đủ

Mạch cực Emitter và Collector chung

8 Mạch khuếch đại cực phát (E)

chung

Trị số β do nhà sản xuất cho biết

Trị số re được tính từ mạch phân

C

26mVr

I



Từ mạch tương đương ta tìm được các thông số của mạch

•Ðộ lợi điện thế: o

V

i

v A

R A

i i

i

v z

i

i A

i



o o

C

v i

R

i

vi

z

i C

v z A

o o

v

z

i 

oo

o

v z

i



Tổng trở ra:

Ðể tính tổng trở ra của mạch, đầu tiên ta nối tắt ngõ vào (vi=0);

áp một nguồn giả tưởng có trị số vo vào phía ngõ ra như trên,

-Khi vi=0 ⇒ ib = 0 ⇒ β)Iib=0 (tương đương mạch hở) nên

ii+

-vi

Rb

vo+

Mạch tương đươngTrong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass

o C V

Mạch khuếch đại cực phát chung với kiểu phân cực bằng cầu chia điện thế và ổn định cực

Mạch tương đươngTrong trường hợp nối thêm CE hoặc nối chân E xuống mass

C V

E

RA

Mạch khuếch đại cực phát chung phân cực bằng hồi tiếp điện thế và ổn định cực phát

e

r

 B

Rc

ii+

.R R z

9 Phân giải theo thông số h đơn giản

liên hệ 2 mạch tương đương

Mạch khuếch đại cực phát chung

Mạch tương đương

o V

i

v A

R

o i

i

i A

i



o o

C

v i

R

i

v i

z



o i i

10 MỘT SỐ ỨNG DỤNG KHUẾCH ĐẠI CỦA BJT

mạch khuếch đại micro dùng cho máy tăng âm

Mạch tạo dao động sóng hình sin

Mạch đa hài tự dao động dùng tranzito lưỡng cực

Hình dạng thực của Transistor BJT